JP4254057B2 - ハイドロキシアパタイトの製造方法及び複合体の製造方法 - Google Patents
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Description
これらのセラミックス材料は、骨の代替に使用するために、例えば、金属等の強度の高い材料表面に形成する試みがなされている。また、柔軟性、耐久性に富み、骨以外の人工生体組織等への応用を期待して、加工が容易な各種有機高分子材料の表面上にHAp層を形成する方法、いわゆる生体模倣反応と呼ばれる方法が開発されている。
この生体模倣反応は、ヒト体液に等しいイオン濃度を有する水溶液(疑似体液)に、CaOとSiO2とを主成分とするガラス粒子を浸し、次いで、有機高分子材料を浸漬し、有機高分子材料の表面に多数のアパタイト核を生成させた後、この有機高分子材料のみを疑似体液の1.5倍のイオン濃度を有する水溶液に浸漬させて反応させる方法である。この生体模倣反応によれば、アパタイト核が有機高分子材料上で自然に成長し、緻密で均質な骨類似のHAp層が任意の厚さだけ形成されることが報告されている(J.Biomed.Mater.Res.vol.29,p349−357(1995))。
しかし、この生体模倣反応は、HApの生成速度が遅く、2週間以上の長期間反応させても、有機高分子材料上に、人工骨に使用し得る程度のHApを生成させることができないのが実状である。
ところで、前述のセラミックス材料は、例えば、生きている骨と結合する程度の生体親和性を有することが要求され、組成及び形態を中心とする研究が行われている。また最近、生体親和性の向上は、セラミックス材料の組成及び形態だけでなく、その結晶構造も重要であることが判っている。例えば、ヒトの骨の結晶構造は、X線回折により、図10に示す特異回折ピークを示すことが知られている(Biomaterials,11,p568−572,1990)。
しかし、これに近似した結晶構造を有するHApは従来知られていない。例えば、骨類似のHAp層が形成されることが報告されている、前述の生体模倣反応によって得られるHApも、このような結晶構造は有していない。
本発明の第2の目的は、骨の構成成分の組成及び結晶構造に近似し、優れた生体親和性が期待できるハイドロキシアパタイトを、極めて速い生成速度で効率良く製造しうるハイドロキシアパタイトの製造方法を提供することにある。
本発明の第3の目的は、生体親和性に優れ、骨に近似した結晶構造を有するハイドロキシアパタイトを備え、医療用材料、人工骨、並びに骨以外の柔軟性等が要求される各種生体組織等に有用な複合体の製造方法を提供することにある。
本発明の第4の目的は、生体親和性に優れ、骨に近似した結晶構造を有するハイドロキシアパタイトを極めて速い速度で効率良く生成させ、医療用材料、人工骨、並びに骨以外の柔軟性等が要求される各種生体組織等に有用な複合体を容易に得ることができる複合体の製造方法を提供することにある。
また本発明によれば、カルシウムイオンを含み、且つ実質的にリン酸イオンを含まない第1の水溶液と、リン酸イオンを含み、且つ実質的にカルシウムイオンを含まない第2の水溶液とに、基体を浸漬させて、基体の少なくとも表面に、実質的にCa 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 からなり、且つX線回折において、少なくとも31〜32度及び26度にそれぞれ回折ピークを有する結晶構造であるHApを生成させる工程(A)を含む、基体の少なくとも表面に該HApを備えた複合体の製造方法が提供される。
前記第1の水溶液及び第2の水溶液には、本発明の所望の目的が損なわれない範囲において他のイオンが存在していても良いが、2.5mM以上のマグネシウムイオン(Mg2+)が存在する場合には、リン酸三カルシウム(TCP)が形成される恐れがあるので好ましくない。
前記有機高分子重合体としては、例えば、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、ポリカーボネート、テフロン、シリコーン系エラストマー等が挙げられる。これらの有機高分子重合体の分子量は特に限定されない。また形態も特に限定されず、板状、フィルム状、膜状、筒状、メッシュ状、繊維状等が好ましく挙げられる。
特に好ましい有機高分子重合体としては、水溶液に接触させることによりゲル化する、親水性の架橋高分子重合体が挙げられる。親水性の架橋高分子重合体を使用することにより、基体の表面だけでなく、基体の内部にもHApを容易に形成させることができる。また、得られるHApの形状を、予め所望形状に設計し易いという利点もある。
前記各種金属としては、ステンレス、チタン、プラチナ、タンタル、コバルト、クロム、モリブデン、又はこれら2種以上の金属の合金;チタニアゲル等のチタンを使用したゾルゲル法生成物等が挙げられる。
前記各水溶液に基体を浸漬させる際の各水溶液の液温は、HApの生成速度及び生成効率を考慮して適宜選択することができ、通常、0〜90℃、好ましくは4〜80℃である。
前記回収方法は、HApが分離できれば特に限定されない。例えば、基体として有機高分子重合体を用いた場合には、前記工程(A)により得られたHApと基体との複合体を、好ましくは600℃以上の高温で焼結し、有機高分子重合体を燃焼・除去することにより、HApを回収することができる。
得られるHApは、そのまま、若しくは所望形状に成型加工したり、各種公知の焼結処理や表面処理等を行うことにより、各種医療用材料の製造に使用することができる。
尚、例中の分析及び各測定は、以下の記載にしたがって行った。
(1)X線回折は、商品名"Geigerflex 2013"(Rigaku Co.,Tokyo,Japan製)を用い、X線;CuKα/30kv/15mA、スキャンスピード;2度/分の条件で行った。
(2)ハイドロゲルの膨潤度(SR1(%))は、25℃において、架橋高分子重合体を各水溶液に所定時間浸漬して架橋ゲルを形成させ、表面に残存する水分を拭き除いて重量を測定し、以下の計算式により求めた。
(SR1(%))=((W−W0)/W0)×100 式中、SR1はハイドロゲルの膨潤度、W0は処理前の試料基体重量、Wは含水させた後の試料基体重量をそれぞれ示す。
(3)架橋重合体のPVAゲルに形成されたHAp形成量は、以下の計算式により求めた。
HAp形成量=(PVAとHApとの複合体の乾燥重量)−(PVAの乾燥重量)=(PVAとHApとの複合体の乾燥重量)−(PVAの湿潤重量)/(1+SR2)
式中、SR2は、(SR1/100)を示す。
平均重合度2000、ケン化度99.5%のPVA(和光純薬社製)の10重量%水溶液に、所定濃度のグルタルアルデヒド(半井化学社製、架橋濃度は0.2〜3モル%の範囲で変化させた)及び1規定(N)のHCl(和光純薬社製)を添加し、2日間放置して厚さ1mmの4種類のPVAゲルを合成した。得られたPVAゲルを3日間水中で膨潤させたところ、各PVAゲルの膨潤度は、4.1、10.4、16.8及び30.1であった。これらのPVAゲルを洗浄した後、直径1cmの円形に打ち抜き、以下に示す実施例の試料基体に使用した。
ヒトの血漿に近いイオン濃度を有する疑似体液(SBF:Na+142mM,K+5.0mM,Mg2+1.5mM,Ca2+2.5mM,Cl-148mM,HCO3 -4.2mM,HPO4 2-1.0mM,SO4 2-0.5mM)30ml中に、生体活性ガラス(CaO−SiO2)(glass G)粒子を混合し、PVAゲル(架橋剤濃度1モル%、膨潤度18)のディスク状ゲル素材約100mgを2日間浸漬した。浸漬中の疑似体液の液温は36.5℃に保持した。
次に、前記浸漬後のPVAゲルを、1.5倍のイオン濃度の疑似体液30ml中において、更に8日間浸漬した。浸漬中の液温は36.5℃に保ち、この疑似体液は2日毎に交換した。浸漬終了後、PVAゲルを蒸留水で洗浄し、室温で乾燥させた。得られたHApをX線回折により分析した結果を図9に示す。
図9の結果より、生体模倣反応によって形成されたHApは、図3に示す本発明により得られたHAp及び図10に示すヒトの骨と結晶構造において異なることが判る。
また、上記生体模倣反応において、核形成後、反応24時間後のHAp形成量を測定したところ、37℃において約0.08mgであった。
合成例1で得られた4種類のPVAゲル試料基体を、それぞれ200mM CaCl2/Tris−HCl(pH7.4,液温37℃)水溶液10mlに2時間浸漬した(このカルシウムイオンを含む溶液への浸漬を"浸漬(i)"という)。その後、試料基体表面の水分をキムワイプで拭き取り、次に、120mM Na2HPO4水溶液(液温37℃)10mlに2時間浸漬した(このリン酸イオンを含む溶液への浸漬を"浸漬(ii)"という)。これら浸漬(i)及び浸漬(ii)の交互浸漬操作を1サイクルとして、1〜15サイクル行って以下に示す種々の観察、測定及び分析を行った。図1にこの交互浸漬操作の概略図を示す。図1において、10は試料基体(PVAゲル)、11はCaCl2/Tris−HCl(pH7.4,液温37℃)水溶液、12はNa2HPO4水溶液(液温37℃)をそれぞれ示す。
図2の結果より、PVAゲルの膨潤度は、浸漬(i)及び浸漬(ii)の時間が2時間程度から略横這いになることが判る。
(2)膨潤度10.4の試料基体(PVAゲル)の交互浸漬を行った際に生成し、試料基体に付着形成されたHApをX線回折により分析した。結果を図3に示す。図3において、30は交互浸漬を行う前の試料基体のX線回折の結果、31は交互浸漬を1回行った後に試料基体に形成されたHApのX線回折の結果、32は交互浸漬を5回行った後に試料基体に形成されたHApのX線回折の結果である。尚、交互浸漬1回及び5回によって試料基体に形成されたものは、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)法(装置名:Shimadzu EMX−SM(Shimazu Co.,Kyoto,Japan製))に従って分析した結果、実質的にCa10(PO4)6(OH)2の組成であることが判った。
図3の結果より、交互浸漬1回及び5回のHApは、共に31〜32度及び26度にそれぞれ回折ピークを有しており、交互浸漬回数を増やすことによって、これらのピーク強度が高くなることが判る。
図4の結果より、サイクル数を増加させることにより、徐々に試料基体のPVAゲルが白くなることが判る。また、交互浸漬5回後の(c)の写真では、試料基体のPVAゲルが僅かに収縮していることが判る。
(4)膨潤度10.4の試料基体(PVAゲル)の交互浸漬を行った際に生成し、試料基体の内部に形成されるHApの状態を、試料基体断面の顕微鏡写真(倍率約13倍)により観察した。結果を図5に示す。図5において、(a)は交互浸漬を1回行った後の試料基体(PVAゲル)断面の写真、(b)は交互浸漬を5回行った後の試料基体(PVAゲル)断面の写真、(c)は交互浸漬を10回行った後の試料基体(PVAゲル)断面の写真、(d)は交互浸漬を15回行った後の試料基体(PVAゲル)断面の写真である。
図5の結果より、交互浸漬1回では、試料基体の極表面にHApの白色結晶が認められ、交互浸漬を5回、10回、15回と多くすることにより試料基体表面から内部へ結晶形成が進行する様子が確認できる。
また、前記4種類の試料基体の各膨潤度におけるサイクル数と試料基体に形成されるHAp形成量との関係をグラフにした。結果を図7に示す。
更に、前記4種類の試料基体のサイクル毎の試料基体に形成されるHAp形成割合と、試料基体の膨測度との関係をグラフにした。結果を図8に示す。図8において、80は膨潤度4.1の試料基体の結果、81は膨測度10.4の試料基体の結果、82は膨潤度16.8の試料基体の結果、83は膨潤度30.1の試料基体の結果である。
図6〜8の結果より、試料基体の膨潤度が高いほどHApの形成量及び形成割合が高くなる傾向にあり、HApの生産効率が、浸漬時間とサイクル数によって、ある程度決定できることが判る。また、例えば、図6の62で示される、膨潤度16.8の試料基体においては、6サイクル目の浸漬開始から24時間後には、約8mgのHApが生成されていることが判る。この結果を前述の比較例1の結果と比較すると、本実施例の方法では、従来の生体模倣反応に比較してHAp生成速度が約100倍速いことが判る。
Claims (2)
- 実質的にCa 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 からなり、且つX線回折において、少なくとも31〜32度及び26度にそれぞれ回折ピークを有する結晶構造であるハイドロキシアパタイトの製造方法であって、
カルシウムイオンを含み、且つ実質的にリン酸イオンを含まない第1の水溶液と、リン酸イオンを含み、且つ実質的にカルシウムイオンを含まない第2の水溶液とに、基体を浸漬させて、基体の少なくとも表面に上記ハイドロキシアパタイトを生成させる工程(A)と、
基体から前記ハイドロキシアパタイトを回収する工程(B)とを含むハイドロキシアパタイトの製造方法。 - カルシウムイオンを含み、且つ実質的にリン酸イオンを含まない第1の水溶液と、リン酸イオンを含み、且つ実質的にカルシウムイオンを含まない第2の水溶液とに、基体を浸漬させて、基体の少なくとも表面に、実質的にCa 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 からなり、且つX線回折において、少なくとも31〜32度及び26度にそれぞれ回折ピークを有する結晶構造であるハイドロキシアパタイトを生成させる工程(A)を含む、基体の少なくとも表面に該ハイドロキシアパタイトを備えた複合体の製造方法。
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